RISC-V MCU堆栈机制

1、什么是堆栈？

在嵌入式的世界里，堆栈通常指的是栈，严格来说，堆栈分为堆(Heap)和栈(Stack)。

• 栈(Stack): 一种顺序数据结构，满足后进先出（Last-In / First-Out）的原则，由编译器自动分配和释放。使用一级缓存，调用完立即释放。
• 堆(Heap)：类似于链表结构，可对任意位置进行操作，通常由程序员手动分配，使用完需及时释放(free)，不然容易造成内存泄漏。使用二级缓存。

2、堆栈的作用

• 函数调用时，如果函数参数和局部变量很多，寄存器放不下，需要开辟栈空间存储。
• 中断发生时，栈空间用于存放当前执行程序的现场数据（下一条指令地址、各种缓存数据），以便中断结束后恢复现场。

3、堆栈大小定义

RISC-V MCU的堆栈大小通常在ld链接脚本中定义，关于ld链接脚本可查看该文：RISC-V MCU ld链接脚本说明。

ENTRY( _start ) /* 入口地址 */ 
 
__stack_size = 2048; /* 定义栈大小 */
PROVIDE( _stack_size = __stack_size );/* 定义_stack_size符号，类似于全局变量 */
 
MEMORY
{
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x00000000 , LENGTH = 0x10000
    RAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000 , LENGTH = 0x5000
}
/* 
...
中间省略 
...
*/
 
.stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :  /* 分配栈空间0x20004800 ~ 0x20005000，共2KB */
{
    . = ALIGN(4);
    PROVIDE(_susrstack = . );
    . = . + __stack_size;
    PROVIDE( _eusrstack = .);
} >RAM 

CH32V103 的RAM共20KB，除去程序用到的data、bss段，剩下空间即为动态数据段，供堆栈的动态使用。以RISC-V MCU CH32V103为例，在其ld链接脚本中，定义了_stack_size符号，值为 2048 Byte，后面使用该值在.stack段中分配栈空间，可更改此值调整栈空间大小。

ld链接脚本中，没有明确定义heap堆的大小，按照其定义，动态数据段，除了stack占用的，剩下的都可用于heap，通过malloc进行动态管理。

4、压栈出栈过程

以CH32V103 printf函数调用为例，其反汇编代码如下：

000007a4 <iprintf>:
     7a4:    7139                    addi  sp,sp,-64         # 调整堆栈指针sp，分配64字节的栈空间
     7a6:    da3e                    sw    a5,52(sp)       # 压栈，保存a5寄存器的值
     7a8:    d22e                    sw    a1,36(sp)       # 压栈，按需保存相应的寄存器
     7aa:    d432                    sw    a2,40(sp)
     7ac:    d636                    sw    a3,44(sp)
     7ae:    d83a                    sw    a4,48(sp)
     7b0:    dc42                    sw    a6,56(sp)
     7b2:    de46                    sw    a7,60(sp)
     7b4:    80818793              addi    a5,gp,-2040 # 20000078 <_impure_ptr>
     7b8:    cc22                    sw    s0,24(sp)       # 压栈，保存帧指针fp(s0)
     7ba:    4380                    lw    s0,0(a5)
     7bc:    ca26                    sw    s1,20(sp)
     7be:    ce06                    sw    ra,28(sp)       # 压栈，保存返回地址(ra寄存器)
     7c0:    84aa                    mv    s1,a0
     7c2:    c409                    beqz    s0,7cc <iprintf+0x28>
     7c4:    4c1c                    lw    a5,24(s0)
     7c6:    e399                    bnez    a5,7cc <iprintf+0x28>
     7c8:    8522                    mv    a0,s0
     7ca:    2315                    jal    cee <__sinit>
     7cc:    440c                    lw    a1,8(s0)
     7ce:    1054                    addi    a3,sp,36
     7d0:    8626                    mv    a2,s1
     7d2:    8522                    mv    a0,s0
     7d4:    c636                    sw    a3,12(sp)
     7d6:    167000ef              jal    ra,113c <_vfiprintf_r>
     7da:    40f2                    lw    ra,28(sp)      # 出栈，恢复返回地址(ra寄存器)
     7dc:    4462                    lw    s0,24(sp)      # 出栈，恢复帧指针fp(s0)
     7de:    44d2                    lw    s1,20(sp)      # 出栈，按需恢复相应的寄存器
     7e0:    6121                    addi    sp,sp,64       # 释放栈空间
     7e2:    8082                    ret                    # 函数返回，根据ra寄存器地址返回

5、malloc使用注意事项

CH32V103默认工程中，heap只有起始地址，没有结束地址约束，这样最终会导致malloc永远都不会返回NULL。

如果使用malloc时，需进行如下操作：

1. 重写_sbrk函数，代码如下，放在工程任意位置，推荐放在debug.c 文件中。

   _sbrk代码原型：https://github.com/riscv/riscv-newlib/blob/riscv-newlib-3.1.0/libgloss/libnosys/sbrk.c

   void *_sbrk(ptrdiff_t incr)
   {
       extern char _end[];
       extern char _heap_end[];
       static char *curbrk = _end;
    
       if ((curbrk + incr < _end) || (curbrk + incr > _heap_end))
       return NULL - 1;
    
       curbrk += incr;
       return curbrk - incr;
   }

2. 修改ld链接脚本，定义heap大小

   • 默认RAM中除去data、bss、stack等剩余的都为heap空间

     增加PROVIDE( _heap_end = . ); 定义，位置如下：

   •       PROVIDE( _end = _ebss);
           PROVIDE( end = . );  /* 定义heap起始位置 */
         
           .stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :
             {
                  PROVIDE( _heap_end = . );   /* 定义heap结束位置，默认到栈底结束 */ 
             
                 . = ALIGN(4);
                 PROVIDE(_susrstack = . );
                 /*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/
                 . = . + __stack_size;
                 PROVIDE( _eusrstack = .);
             } >RAM 

     指定heap大小的修改方式如下：

     增加 PROVIDE( _heap_end = . + 0x400); 定义，位置如下：

   •   PROVIDE( _end = _ebss);
       PROVIDE( end = . );  /* 定义heap起始位置 */
       PROVIDE( _heap_end = . + 0x400);   /* 定义heap结束位置，长度为1KB */ 
      
       .stack ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM) - __stack_size :
         {
             . = ALIGN(4);
             PROVIDE(_susrstack = . );
             /*ASSERT ((. > 0x20005000),"ERROR:No room left for the stack");*/
             . = . + __stack_size;
             PROVIDE( _eusrstack = .);
         } >RAM 

参考:
https://github.com/riscv/riscv-gnu-toolchain/issues/571
https://github.com/lowRISC/ibex/issues/1415

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